KR100601615B1

KR100601615B1 - 네트워크 대역폭에 적응적인 영상 압축 장치

Info

Publication number: KR100601615B1
Application number: KR19990034580A
Authority: KR
Inventors: 박상도
Original assignee: 삼성전자주식회사
Priority date: 1999-08-20
Filing date: 1999-08-20
Publication date: 2006-07-14
Anticipated expiration: 2019-08-20
Also published as: JP2001094997A; CN1263307C; CN1285691A; KR20010018573A

Abstract

시간적으로 변화하는 네트워크 대역폭에 적응적인 영상 압축 장치가 개시된다. 본 발명의 장치는 입력되는 영상 데이터를 소정의 양자화값으로 양자화하는 양자화기, 상기 양자화기에서 발생되는 영상 데이터를 버퍼링하여 전송하는 전송기, 입력되는 이전 프레임들로 부터 복잡도를 예측하는 복잡도예측기, 상기 전송기에서 점유하고 있는 데이터 버퍼링양과 상기 복잡도예측기에서 예측된 복잡도값과 상기 네트워크에 할당된 대역폭 정보를 입력하여 상기 네트워크 대역폭 범위내에서 상기 양자화기의 양자화값을 적응적으로 결정하는 제어기를 포함한다.

Description

네트워크 대역폭에 적응적인 영상 압축 장치{Apparatus for compressing video according to network bandwidth}

도 1은 본 발명이 적용되는 TM-5에서 제안된 MPEG 부호화기의 블럭도이다.

도 2는 본 발명에 따라 도 1의 장치에 양자화값(Q)을 조절하는 압축 부호화장치의 블럭도이다.

도 3은 본 발명을 적용하여 영상을 전송한 경우 영상의 품질을 보이는 그래프이다.

도 4는 본 발명을 적용하여 영상을 전송한 경우 대역폭 이용도를 보이는 그래프이다.

본 발명은 영상 전송 시스템에서 효율적인 영상 압축 장치에 관한 것으로서, 특히 시간적으로 변화하는 네트워크 대역폭에 적응적인 영상 압축 장치에 관한 것이다.

일반적으로 영상 부호화기는 영상을 전송할 때 그 영상의 화질 저하를 최소화하면서 동시에 대역폭의 이용도를 최대로 할 수 있도록 부호화되어야한다. 영상 부호화기에서 영상 압축 기술과 관련된 종래 기술은 "ISO/IEC MPEG working group"에서 제정한 "표준 ISO/IEC 13818-2: 비디오"에 "TEST model(TM)-5"서 서술되어 있다.

이러한 MPEG WG에서 제시하는 TM-5의 전송률 제어 방식은 기본적으로 CBR(Costant Bit Rate) 영상 시퀀스를 생성하는 것이다. 이를 위해 하나의 GOP(Group of Picture)마다 전송 가능한 데이터량을 할당하여 각 장면마다 이를 다시 분배하고 있다.

TM-5 알고리듬은 우선 각 장면이 전송할 수있는 데이터 양으로 부터 목표 데이터 크기를 설정한다. 목표치의 크기는 영상의 특성과 고정된 네트워크 대역폭을 기준으로 결정된다. 그 후 가상 버퍼의 점유량에 따라 양자화 값의 기준을 정한다. TM-5에서는 하나의 장면에 하나의 양자화값이 사용되는 것이 아니므로 양자화 값을 기준을 정하고, 각각의 매크로블럭(Macro Block)마다 다른 양자화 값을 사용하게 된다.

따라서 이와 같은 TM-5에서는 영상의 품질을 유지하면서 CBR 채널에 영상을 전송하는 데 유용하게 사용될 수있다. 그러나 종래 기술의 TM-5에서는 장면의 변화에 따라 잘못된 연산으로 인해 어긋난 대역폭 할당을 할 수있다. 즉, GOP 기준으로 영상의 목표 데이터 크기를 결정하는 경우 어긋난 대역폭 할당이 장기간 지속되어 데이터 손실이 지속될 가능성이 크다. 또한 전화망과 같은 회선망과는 달리 데이터망에서는 하나의 데이터 전송 패스(path)를 다수의 엔드-유저(end-user)로 사용하기 때문에 하나의 엔드-유저의 전송량 변화로 인해 각 네트워크 엔드-유저가 가질 수있는 대역폭의 크기가 변화하게 된다.

따라서 TM-5에서는 시변 네트워크 환경에서 영상 데이터를 전송하는 경우 불가피하게 영상 데이터의 손실이 발생하고 이에 따라 QoS가 저하되므로 VBR(Variable Bit Rate)환경에서 이용될 수없는 문제점이 있다.

본 발명이 이루고자 하는 기술적 과제는 데이터망을 이용하는 영상 전송 시스템에서 영상을 압축하여 전송하는데 있어서 데이터양을 네트워크 대역폭 상태에 맞게 양자화값을 조절해 줄수 있는 영상 압축 장치를 제공하는 데있다.

상기의 기술적 과제를 해결하기 위하여, 본 발명은 데이터 네트워크를 구비한 영상 전송 시스템에 있어서,

입력되는 영상 데이터를 소정의 양자화값으로 양자화하는 양자화기;

상기 양자화기에서 발생되는 영상 데이터를 버퍼링하여 전송하는 전송기;

입력되는 이전 프레임들로 부터 복잡도를 예측하는 복잡도예측기;

상기 전송기에서 점유하고 있는 데이터 버퍼링양과 상기 복잡도예측기에서 예측된 복잡도값과 상기 네트워크에 할당된 대역폭 정보를 입력하여 상기 네트워크 대역폭 범위내에서 상기 양자화기의 양자화값을 적응적으로 결정하는 제어기를 포함하는 영상 압축 장치이다.

이하 첨부된 도면을 참조로하여 본 발명의 바람직한 실시예를 설명하기로 한다.

먼저, 영상 데이터는 GOP(Group of Picture)단위로 구성되며, I(Intra) 프레임과 합산기(110)에 의한 P(Predictive), B(Bidirectional) 프레임으로 구분되어 선택적으로 입력된다. DCT 변환기(DCT:120)는 공간 중복성을 얻기 위해 8×8 블럭에 대해 DCT(Discrete Cosine Transform)를 수행한다. 양자화기(Q:130)는 DCT된 영상 데이터의 공간 중복성을 제거한다. 역양자화기(150)은 양자화된 영상 데이터를 역양자화한다. IDCT(160)은 역양자화된 영상 데이터를 역DCT한다. 프레임 메모리(FM:170)는 역DCT된 영상데이터를 프레임 단위로 저장한다. 움직임추정기(ME:180)는 현재 프레임과 이전 프레임을 이용하여 움직임 벡터(MV)를 발생한다. VLC(Variable Length Coding)(140)는 움직임벡터(MV)에 따라 양자화된 영상데이터에서 통계적 중복성을 제거한다. 따라서 도 1의 MPEG 부호화기를 이용하여 시변 네트워크에서 영상 데이터를 전송하기 위해서는 양자화기(130)의 양자화값을 적절하게 선택하여 가능한 데이터 손실을 최소로 하고 동시에 대역폭의 이용도를 최대로 해야한다.

도 2의 장치는 입력 영상 데이터를 MPEG으로 부호화하는 MPEG 부호화기(210), 완충버퍼를 구비하여 영상 데이터를 전송하는 전송기(220), 네트워크(230), 입력 영상 데이터로 부터 복잡도를 예측하는 복잡도예측기(250), 입력영상 복잡도 예측치 및 완충버퍼의 점유량 및 네트워크 상태 정보를 입력하여 양자화 스케일을 발생하는 전송률제어기(240)로 구성된다.

먼저, 복잡도예측기(250)는 n번째 영상 프레임을 압축하기 위해 n번째 영상 프레임의 복잡도를 예측한다. 즉, 하나의 영상은 동일하거나 비숫한 장면이 수 - 수십초간 지속되는 특성을 가지므로 현재의 영상은 직전의 영상과 특성이 같을 것으로 예측하여 이전 N개의 영상으로 부터 장면 복잡도를 평균한다. 또 장면의 모드(I, P, B)에 따른 복잡도 변화를 없애고 영상 고유의 복잡도 변화만을 검출해내기 위해 이전 영상의 특성을 평균한 값을 이용한다. 따라서 복잡도예측기(250)는 N개의 메모리 영역을 두어 이전 영상의 복잡도 추이를 기록해두어야한다. 여기서 복잡도예측기(250)에서 n번째 장면의 복잡도 예측값의 평균(

)은 수학식 1과 같이 나타낼수 있다.

여기서, M:복잡도(Complexity),

N:GOP 단위에서의 프레임 갯수,

n:프레임 갯수.

전송률제어기(240)는 복잡도예측기(250)로 부터 예측된 복잡도 값과 현재 네트워크(2300로 부터 할당 받은 대역폭, 그리고 현재 전송기(220)가 가지고 있는 버퍼의 점유량값을 바탕으로 압축할 양자화값을 수학식2와 같이 선택적으로 결정하게 된다. 여기서 전송기(220)의 버퍼 점유량을 목표값에 유지하기 위해 버퍼점유량이 목표치보다 크면 양자화값을 증가시켜 데이터량을 줄여야하며, 반대로 버퍼점유량이 목표치보다 적으면 양자화값을 감소시켜 데이터량을 증가시켜야 한다. 또한 전송률제어기(240)가 양자화값을 결정할 때 현재 네트워크 대역폭 정보를 포함하게하여 전송기(220)의 버퍼 오버플로우(overflow)로 인한 데이터 손실을 줄일 수있다. 또한 전송률제어기(240)의 양자화값은 일정한 비트수의 제한이 있으므로 H, L에 의해 포화(saturation)된다.

여기서

: n 번째 장면의 양자화값,

: n번째 장면을 압축할 때 할당된 대역폭,

: 버퍼의 목표값,

: n번째 장면을 압축할 때 버퍼 점유량의 평균,

: n번째 장면의 복잡도 예측값의 평균,

: 적응(속도) 상수,

:

의 최소, 최대값이다.

따라서 전송률제어기(240)는 이미 네트워크(230)에 할당된 대역폭을 바탕으 로 버퍼의 점유량을 목표값으로 일치시킬 수있도록 양자화 값을 결정하기 때문에 네트워크의 혼잡으로 인한 데이터의 손실을 최대한으로 줄일 수있다. 또한 전송률제어기(240)는 하나의 장면을 압축하기 직전에 항상 양자화값을 계산해주기 때문에 항상 할당된 네트워크 대역폭에 맞추어 적절한 데이터량을 생성한다.

MPEG부호화기(210)는 전송률제어기(240)에서 전송기(220)의 버퍼량 목표치에 맞게 발생하는 양자화값에 따라 입력 영상 데이터를 적절하게 MPEG 부호화한다.

도 3 및 도 4는 MPEG에서 제안된 "TEST model(TM-5)"과 본 발명에 제안(Proposed)된 장치로 영상을 각각 전송한 경우 영상의 품질과 대역폭의 이용도를 나타낸다. 도 3은 프레임(frames)에 따른 PSNR(dB)을 나타내며, 도 4는 시간(time)에 따른 대역폭 이용도(utilization(%))를 나타낸다. 도 3 및 도 4에 도시된 바와 같이 영상의 품질이 보다 더 일정하고 동시에 대역폭의 이용도가 크게 유지된다.

본 발명은 상술한 실시예에 한정하지 않으며, 본 발명의 사상내에서 당업자에 의한 변형이 가능함은 물론이다. 즉, 본 발명은 네트워크로 영상을 전송하는 모든 시스템에 적용가능하며, 영상을 인터넷과 같은 데이터 망에 전송할 때 모든 하드웨어와 소프트웨어에 알고리듬으로 적용할 수 있다.

상술한 바와 같이 본 발명에 의하면, 영상을 전송할 때 영상의 화질을 최소화하면서 동시에 대역폭의 이용도를 최대로 할 수있으며, 실시간으로 영상 데이터를 압축 전송할 수있기 때문에 시간에 따른 대역폭의 변화에 대한 적응력이 우수하 여 인터넷을 통한 영상 전송이 용이하다.

Claims

데이터 네트워크를 구비한 영상 압축 장치에 있어서,

입력되는 영상 데이터를 소정의 양자화값으로 양자화하는 양자화기;

상기 양자화기에서 발생되는 영상 데이터를 버퍼링하여 전송하는 전송기;

이전 프레임의 영상 특성에 근거하여 현재 프레임의 복잡도를 예측하는 복잡도예측기;

상기 전송기에서 점유하고 있는 데이터 버퍼링양과 상기 복잡도예측기에서 예측된 복잡도값과 상기 네트워크에 할당된 대역폭 정보를 입력하여 상기 네트워크 대역폭 범위내에서 상기 양자화기의 양자화값을 적응적으로 결정하고, 상기 양자화값을 미리 정해진 최대 최소값 범위로 설정하는 제어기를 포함하는 영상 압축 장치.
제1항에 있어서, 상기 제어기에서 양자화값은 네트워크에 할당된 밴드폭을 바탕으로 상기 전송기의 버퍼 점유량을 미리 정해진 목표값으로 일치시켜 결정하는 것임을 특징으로 하는 영상 압축장치.
제1항에 있어서, 상기 제어기에서 양자화값은

로설정되며,

여기서
: n 번째 장면의 양자화값,
: n번째 장면을 압축할 때 할당된 대역폭,
: 버퍼의 목표값,
: n번째 장면을 압축할 때 버퍼 점유량의 평균,
: n번째 장면의 복잡도 예측값의 평균,
: 적응(속도) 상수,
:
의 최소, 최대값임을 특징으로 하는 영상 압축 장치.